大洋钻探岩芯研究揭示低温蚀变对洋壳玄武岩硅同位素影响新进展

近日，国际期刊Chemcial Geology刊发了中国科学技术大学黄方教授课题组与中科院海洋研究所张国良研究员课题组关于南太平洋洋壳（IODP 329航次）蚀变对硅同位素影响的论文：“Silicon isotopic compositions of altered Oceanic crust samples from IODP U1365 and U1368: Effect of low-temperature seawater alteration”，对认识海水与洋壳之间硅元素循环、俯冲带硅元素迁移规律，以及地幔中硅同位素组成演化等具有重要意义。 

硅是地球上含量第三的主要元素，广泛分布于地壳和地幔中。经过海底风化改造后的俯冲板块加入地幔，可能对地幔硅同位素组成产生影响。可见，硅同位素有潜力成为示踪壳幔物质循环的有力工具。为了利用硅同位素示踪壳幔物质循环，须查明板块俯冲前和俯冲后硅同位素的组成变化，以及俯冲过程对地幔硅同位素组成的影响。掌握蚀变洋壳硅同位素组成变化规律，对于理解板块俯冲如何影响地表系统和深部地幔之间硅元素交换及地幔组成演化有重要意义。

这项研究选取综合大洋钻探计划（IODP）329航次的南太平洋蚀变玄武岩洋壳样品（U1365，~100Ma；U1368，~13Ma），以限定洋壳在海底蚀变过程中的硅同位素组成。这两个钻孔蚀变洋壳样品普遍存在蚀变产生的黏土矿物。在张国良研究员前期开展的岩芯研究中（Zhang & Smith‐Duque., 2014），已经对两个岩芯剖面进行过详细的矿物学和常规地球化学研究，识别出多个同一岩石单元对应的“蚀变洋壳”和 “新鲜洋壳”样品对。本次研究，进一步对“蚀变洋壳”和“新鲜洋壳”样品对的硅同位素进行对比，更系统地制约了蚀变过程对样品硅同位素组成的影响及其规律。

研究结果表明，这些洋壳钻孔样品的硅同位素平均组成与新鲜MORB在误差范围内一致（图1），但不同钻孔样品的硅同位素变化范围不同，指示了低温海水蚀变过程对洋壳硅同位素特征有不同程度影响。U1365钻孔的“新鲜洋壳”样品和U1368钻孔样品（新鲜和蚀变的）的硅同位素组成相对均一，与新鲜MORB在误差范围内一致。U1365钻孔的蚀变程度相比U1368钻孔更高，而U1365钻孔各样品对中“蚀变洋壳”样品的硅同位素组成变化范围较大。其中粘土矿物含量高的样品通常具有较轻的硅同位素组成，较高的烧失量、较高的K₂O/TiO₂、Rb/TiO₂、Cs/TiO₂、Ba/TiO₂比值和较低的SiO₂含量（图2、3）。推测这是因为洋壳蚀变过程中，一些矿物分解并形成黏土矿物，导致部分具有重硅同位素特征的硅被溶解释放到海水中，从而使残余洋壳的硅同位素组成相对偏轻。这一过程也会影响海水中的硅同位素组成。

图2. δ³⁰Si (‰)与(a) SiO₂ (wt.%)、(b) K₂O (wt.%)、(c) LOI和(d) K/Nb的相关性图解。